基于地貌-重要性-敏感性分析框架的生态功能分区研究——以太行山脉中段晋中市为例

张慧荣， 毕如田， 荆耀栋， 朱洪芬， 刘慧芳

（山西农业大学资源环境学院，山西晋中 030801）

加强对生态环境的保护逐渐成为新时代生态文明建设的重要议题，划分生态功能区有助于有效识别不同土地利用类型的生态功能特点，使土地资源被充分合理利用，进而可确定生态环境保护与生态建设的重点区域，有效合理地践行可持续发展战略［1］. 自然地理要素与土地利用的空间配置具有时空异质性且受制于区域地形地貌特征，在地域分异理论［2］的指导下，有部分学者将地貌特征、典型生态问题、主导生态服务功能与敏感特征相似的单元进行组合，以划分合理的生态功能区，更好地服务于区域经济发展与生态环境治理. 目前，关于生态功能分区的研究涉及生态区划的原则和依据、不同类型的功能分区［3-4］、不同生物资源［5］、不同尺度生态区景观格局［6］等方面，且大多研究考虑自然因素居多，缺少对人类活动干扰要素的考虑. 已报道的关于生态功能分区的对象涵盖了流域［7］、国家公园［8］、湖泊［9］、民族地区［10］、城市［11］、湿地［12］等，用于划分生态功能区的方法主要有空间叠置法［13］、指标权重分区法［14］、聚类法［15］、主成分分析法［16］等，而且还有学者开始利用RS、GIS等空间信息技术与神经网络、模型软件等非空间信息技术相结合的方法来划分生态功能区［17-18］. 目前的研究成果为生态功能区的划分提供了较好的理论基础和技术支持，具有很好的借鉴性，但大多研究侧重于生态服务功能层面的考量，忽略了基底要素与干扰要素对生态系统的影响，造成分区特性的单一化，而且依据生态敏感性分布特征及生态系统服务功能重要性分布规律进行生态功能分区的研究较少. 根据地貌空间分异特征以及人类活动干扰下引发的生态环境问题对区域生态系统服务功能重要性和生态敏感性的空间分布特征进行分析，并合理划分区域生态功能区，是维护生态系统稳定发展的有效手段.

山西省晋中市位于太行山脉中段，地处黄土高原东部边缘、我国地势第一级阶梯向第二级阶梯过渡地带，境内地貌类型复杂，生态环境空间异质性特征明显. 鉴于此，以晋中市为研究区，从“地貌-重要性-敏感性”的分析框架着手，利用综合评价法及空间分析手段对研究区生态系统服务功能重要性和生态敏感性进行评价，并对其生态功能区进行划分. 本研究对促进山水林田湖草生态系统的良性循环具有重要的现实意义.

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

晋中市（111°25′E～114°08′E，36°40′N～38°05′N）位于山西省中部，东依太行，西傍汾河，全市总面积16 400 km2，约占山西省总面积的10.5%，共辖11个县（市、区）（图1）. 市域气候温和，属暖温带大陆性季风气候，年均气温约为9 ℃，年均降水量约为480 mm，主要集中在夏秋之交. 全市河流以太行山脉、太岳山中脊为界，分属黄河流域和海河流域. 太行山脉是全国重要的水源涵养与土壤保持区，承担着重要的生态系统服务功能，从华北平原西望太行山脉，东侧悬崖断壁处处可见. 太行山东缘大断裂造成的与华北平原的正负极地形，使太行山脉成为华北平原区重要的天然屏障带. 晋中市处于太行山脉与太原盆地之间，榆次区、太谷区、祁县、平遥县、灵石县西部及介休市西北部处于太原盆地东南侧，为晋中市平原区，其余县都处在晋中市的山地丘陵区.

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 数据获取及处理

研究所用的DEM数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/），数据分辨率为30 m；净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）数据为2000—2015 年的MODIS 陆地4 级标准数据NPP 产品数据集MOD17A3H，来自美国航空航天局网站（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/），其空间分辨率为500 m；土壤数据来源于世界土壤数据库中的中国土壤数据集（Harmonized World Soil Database v1.2）；气象数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https：//www.resdc.cn/）；研究区矢量数据主要包括晋中市自然保护区、森林公园等关键生态区分布图、晋中市地貌图及晋中市1∶100万地质灾害易发程度分区图、土地利用变更调查数据库等，数据来源于晋中市自然资源局. 此外还有以上数据派生的相关辅助数据. 应用ArcGIS软件将数据投影变换为CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_38平面坐标系，同时将所有数据重采样为500 m空间分辨率.

2 研究方法

2.1 地貌类型划分

地形地貌作为自然地理环境中的基底要素，直接影响或主导着区域生态系统要素的分布与变化. 研究区居于黄土高原东部边缘，东部有太行山脉作为天然生态屏障，西部以汾河为堑，山地、丘陵、平川呈阶梯状分布. 基于数字高程模型、地貌图、地形起伏度等数据，对研究区地貌信息进行精细化提取，并将研究区地貌划分为山地、丘陵、平原、台地、阶地5类. 在此基础上，以地貌类型作为基底要素，结合研究区生态系统服务功能重要性和生态敏感性的空间分布特征对研究区的生态功能区进行划分.

2.2 生态系统服务功能重要性评价方法

根据《生态保护红线划定指南》［19］中推荐的方法，结合研究区自然地理特征及生态环境状况，确定研究区生态系统服务功能重要性的评价指标为：水源涵养功能重要性、土壤保持功能重要性、固碳释氧功能重要性和生物多样性保护功能重要性，其中水源涵养功能重要性和生物多样性保护功能重要性采用NPP定量指标评估法，分别以生态系统水源涵养服务能力指数和生物多样性维护服务能力指数作为评估指标；土壤保持功能重要性采用修正通用的水土流失方程模型评估法；固碳释氧功能重要性通过光合作用方程［20］计算得到. 采用变异系数法［21］对各单项评价指标赋予权重，分别为0.242 7、0.151 6、0.358 5和0.247 2.

2.3 生态敏感性评价方法

研究区处于华北平原黄土高原区和北方农牧交错生态脆弱区，市域大部分地貌沟壑纵横，水土流失、地面塌陷等生态问题频现，客观上造成生态区敏感性较高. 参考相关研究［20，22］并结合研究区实际情况，选取水土流失、地质灾害、水资源环境和生境四个评价因子对研究区生态敏感性进行评价. 利用变异系数法确定四个评价因子的权重，采用综合指数法计算各评价指标的指数，生态敏感性评价因子及其分级标准如表1所示.

表1 生态敏感性评价因子及分级标准Tab.1 Evaluation factors and grading standards of ecological sensitivity

2.4 生态功能分区

参考相关研究［23］，利用三维魔方空间分类法的基本原理［24］，以生态系统服务功能重要性分类为X轴，生态敏感性分类为Y轴，地貌类型为Z轴建立生态功能分区三维魔方图（图2）. 生态系统服务功能重要性分类中：X1为不重要区，X2为一般重要区，X3为中等重要区，X4为高度重要区，X5为极重要区；生态敏感性分类中：Y1为不敏感区，Y2为一般敏感区，Y3为中度敏感区，Y4为高度敏感区，Y5为极敏感区；地貌类型中：Z1为平原盆地区，Z2为黄土丘陵阶地区，Z3为高中山丘陵区，Z4为山间盆地区，Z5为中山丘陵区.

图2 生态功能分区三维魔方图Fig.2 Three-dimensional Rubik’s Cube diagram ofecological function zoning

通过三维魔方空间分类法将X、Y、Z轴中的不同类型进行组合，得到62种主要组合类型，在考虑生态系统类型和区划边界完整性的基础上，最终将研究区划分为5个生态功能区，分别为汾河平川水土流失生态恢复区、黄土丘陵阶地生态农业发展区、太岳山地生物资源涵养区、山间盆地水土保持生态保育区和太行山地水源涵养生态屏障区，如表2所示.

表2 研究区生态功能区与三维魔方单元对应表Tab.2 Corresponding table of ecological function zones and three-dimensional Rubik’s Cube unit in the study area

3 结果与分析

3.1 生态系统服务功能重要性分析

3.1.1 水源涵养功能重要性分析

研究区水源涵养功能重要性类型以高度重要为主，如图3（a）所示. 水源涵养功能极重要区和高度重要区的面积分别为1 732.74 km2和4 220.35 km2，分别占研究区总面积的10.57%和25.73%，主要分布在太岳山—中条山水源涵养带和太行山水源涵养带上，这些地区的NPP和多年平均降水量均较高，这是其维持水源涵养功能的重要保证. 水源涵养功能不重要区、一般重要区和中等重要区主要分布在平川以及汾漳河支流周围地带，这些地区植被覆盖少，人类活动干扰较大.

3.1.2 土壤保持功能重要性分析

研究区的土壤保持功能重要性类型以不重要为主，如图3（b）所示. 土壤保持功能不重要区的面积约为8 274.62 km2，占研究区总面积的50.46%，地表覆盖类型以耕地、水域和建设用地为主，水域河道周围侵蚀较严重且植被覆盖度较小，土壤保持能力不高. 土壤保持功能极重要区和高度重要区的总面积占研究区总面积的10.64%，主要分布在太行山脉东侧，这里的土地利用类型虽然以林地为主，但土壤类型主要为砂质壤土、褐土和粗骨土等，土壤可侵蚀性较强，并且地形起伏度较大，极易发生由降水以及地表径流所带来的土壤侵蚀问题.

3.1.3 固碳释氧功能重要性分析

研究区的固碳释氧功能重要性总体处于较高水平，如图3（c）所示. 固碳释氧功能极重要区和高度重要区基本分布在植被覆盖较好的山脉地区，主要集中在太岳山脉北段及太行山脉中段. 固碳释氧功能极重要区和高度重要区的总面积占研究区总面积的70.82%，可见研究区固碳释氧功能的重要性.

3.1.4 生物多样性保护功能重要性分析

研究区的生物多样性保护功能重要性类型以中度重要为主，如图3（d）所示. 生物多样性保护功能中度重要区面积约为4 510.14 km2，占研究区总面积的27.50%，主要位于一般重要区的延伸周边和河流缓冲带周围. 生物多样性保护功能极重要区和高度重要区主要分布在研究区的中部及南部地区，这些区域以山地为主，植被覆盖良好，涵盖了太岳山国家森林公园、清漳河国家湿地公园等，生物资源丰富.

图3 研究区生态系统服务功能重要性评价结果Fig.3 Evaluation results of ecosystem service function importance in the study area

3.1.5 生态系统服务功能重要性综合分析

研究区生态系统服务功能重要性综合评价结果如图3（e）所示.由图3（e）及以上分析结果可知，研究区的生态系统服务功能以水源涵养和固碳释氧为主，重要性类型以高度重要为主. 生态系统服务功能高度重要区的面积约为4 226.94 km2，占研究区总面积的25.77%. 生态系统服务功能极重要区与高度重要区镶嵌分布，主要分布在研究区的中部以及太行山脉—太岳山脉主脊两侧，部分分布在研究区西北部的黄土丘陵区，这些区域内林、草植被生态系统较为丰富，地貌类型以山地丘陵为主，是山西省重要的水源涵养区和水土保持区，对维护太行山脉以及黄河、海河流域的生态系统服务功能具有重要作用，同时也是晋中地区重要的物种贮存库.

3.2 生态敏感性分析

3.2.1 水土流失敏感性分析

研究区的水土流失敏感性分析结果如图4（a）所示. 由图4（a）可知，研究区水土流失敏感性的空间分异性较大，水土流失极敏感区和高度敏感区的总面积占研究区总面积的34.50%，水土流失严重的地区主要分布在研究区各支流流域范围内，大部分为土石山区，多为土山坡，地形起伏较大，致使地表水源涵养能力下降，水土流失严重. 水土流失不敏感区多分布在植被覆盖良好的区域，土地利用类型主要为林地和草地.

图4 研究区生态敏感性评价结果Fig.4 Evaluation results of ecological sensitivity in the study area

3.2.2 地质灾害敏感性分析

研究区地处黄土高原东部边缘，地貌类型复杂，境内地质环境脆弱. 研究区地质灾害敏感性类型主要以中度敏感为主，如图4（b）所示. 地质灾害中度敏感区的面积约为4 738.8 km2，占研究区总面积的28.90%，主要分布在研究区的中南部区域、西北部黄土高原丘陵区和灵石县境内，这些区域内煤层分布较多，加之坡度和地貌类型的影响，易发生地质灾害. 地质灾害极敏感区的面积为2 233.75 km2，占研究区总面积的13.62%，基本上分布在太岳山和太行山周边的山体附近，这些区域内多高峻的山地，地势陡峭，地质灾害易发程度高.

3.2.3 水资源环境敏感性分析

从距河湖距离和水体分布两方面对研究区的水资源环境敏感性进行分析，结果如图4（c）所示. 研究区的水资源环境敏感性类型以不敏感为主，水资源环境极敏感区和高度敏感区主要分布在研究区的汾、漳河水系附近. 水资源环境极敏感区和中度敏感区的面积相当，分别为1 034.84 km2和992.71 km2，共占研究区总面积的12.36%. 在人类活动的干扰下，研究区内平原地区的水资源环境敏感程度较其他地区严重，水资源匮乏且河流水质污染较重，河流地表径流量不断减少.

3.2.4 生境敏感性分析

研究区生境敏感性类型以一般敏感为主，如图4（d）所示. 生境一般敏感区的面积约为9 367.73 km2，占研究区总面积的57.12%，分布范围广，且主要集中在研究区中部及东部山地丘陵区，土地利用类型以林地和草地为主. 生境极敏感区和高度敏感区基本分布在国家级、省级自然保护区、森林公园和风景名胜区，均位于研究区生态保护红线关键区内，敏感性较高. 生境不敏感区面积为5 295.25 km2，占研究区总面积的32.29%，较广泛地分布在太原盆地东侧及地势低平区，这些区域距离建设用地和耕地较近，受人类活动干扰较大，生态基底较差，不适合生物多样性的维持以及相关生态系统服务功能的发挥.

3.2.5 生态敏感性综合分析

研究区的生态敏感性综合评价结果如图4（e）所示. 由图4（e）及以上分析结果可知，地质灾害和水土流失是研究区的主要生态敏感性类型，生态极敏感区和高度敏感区的总面积为4 786.99 km2，占研究区总面积的29.19%，主要分布在汾、漳两河及其支流的源头山地，以及太行山中段区域，这些地区是晋中市生态保护红线的核心地带，属生境、水土流失和地质灾害较敏感的地区，对维持市域和太行山脉—太岳山脉区域的生态系统稳定及其生态系统服务功能的发挥具有重要作用. 生态一般敏感区和不敏感区的总面积占研究区总面积的41.30%，主要分布在研究区的西北部丘陵阶地区、太原盆地东侧地区，部分分布在研究区中东部地区.

3.3 生态功能分区

生态功能分区是结合区域现存的生态环境问题，依据其不同属性特征的地域分异特点以及生态系统服务功能重要性和生态敏感性的空间分布规律，划分出能够反映区域生态系统功能差异特征的空间单元［25］. 根据研究区生态系统服务功能重要性和生态敏感性的空间分布特征，结合其地形地貌及生态系统完整性确定的自然边界，通过边界处理划定其生态功能区范围，如图5所示，各生态功能区的特征、主要生态环境问题及保护措施如表3所述.

表3 研究区生态功能区的特征、主要生态环境问题及保护措施Tab.3 Characteristics，main ecological environment problems and protection measures of ecological function zones in the study area

图5 研究区生态功能分区结果Fig.5 The results of ecological function zoning in the study area

4 结论与讨论

4.1 结论

以生态功能为导向，对晋中市的地貌类型、生态系统服务功能重要性和生态敏感性进行了分析，并对其生态功能区进行了划分. 得出结论如下：

1）晋中市生态系统服务功能以水源涵养和固碳释氧为主，生态敏感性以地质灾害和水土流失为主.

2）晋中市生态系统服务功能极重要区和生态极敏感区主要分布在晋中市自然保护区等生境质量好的区域.

3）根据晋中市地形地貌的空间异质性特征以及晋中市生态系统服务功能重要性和生态敏感性的空间分布特征，利用三维魔方空间分类法将晋中市划分为5 个生态功能区，分别是汾河平川水土流失生态恢复区、黄土丘陵阶地生态农业发展区、太岳山地生物资源涵养区、山间盆地水土保持生态保育区和太行山地水源涵养生态屏障区，并根据各生态功能区的特征针对性地提出了相应的保护措施.

4.2 讨论

生态系统是由生物有机体和周围环境构成的生态综合体，但自然要素及土地利用类型的不同导致不同区域内会形成不同类型的生态系统组合，且生态系统的空间分布呈现明显的区域分异性［1］. 对不同类型的生态系统组合进行生态功能分区，有助于构建区域生态安全格局、完善国土开发格局空间体系，并且可以为生态功能区划定方法的完善提供确切的样本案例. 在借鉴前人研究的基础上，基于“地貌-重要性-敏感性”的分析框架，对晋中市生态功能区进行划分，不仅表现了晋中市生态系统服务功能重要性的空间分布特征，而且也体现了其生态敏感性的空间分布特征，同时以地貌类型作为其生态功能分区的基底要素，将自然地理特征与生态过程、人类社会经济活动的干扰等因素相结合，体现了人地矛盾关系中生态环境的动态交互特征. 但研究所采用的《生态保护红线划定指南》中所推荐的评估模型在综合性上也有不足之处，相关分级要求可能更适用于省域、流域等大尺度区域，数据空间精度要求较低，这在一定程度上影响了分析结果的准确性. 未来可以考虑选用更加客观的定量模型方法或者选取更多能够反映自然生态过程与人类干扰作用下生态斑块在生态系统中的空间重要性及生态敏感性的指标，提高数据精度，同时还可以考虑与区域发展战略相结合，从宏观和微观的角度深入探讨区域生态功能分区的保护以及其变化驱动机理，以进一步优化生态功能区的划定方法.